海洋中尺度過程與區域海洋環境和氣候安全

齊慶華

(自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005)

0 引言

環境和氣候是人類和一切生物賴以生存的重要基礎資源。海洋作為地球系統的主要組成部分,在地球環境和氣候的形成和變化中發揮著舉足輕重的作用。海洋系統與地球其他各圈層相互作用,引起的環境和災害問題日益突出[1],涉及環境、氣候、生態、資源和安全等重要科學領域。

我國是海洋大國,海域遼闊、生態多樣、資源豐富。關心海洋、認識海洋、經略海洋是發展海洋經濟、保障海洋環境安全和維護海洋權益的基礎,也是推動我國海洋強國建設的戰略需求。海洋環境的空間特征、氣候演變過程及其地域分異規律是海洋科學的研究基石,當前海洋科學研究不斷向系統化、綜合化和全球化趨勢發展。采用現代海洋觀測(探測、監測)技術、信息技術和預測預報技術,基于對全球和區域海洋的精細、精確、實時和動態觀測,揭示不同尺度的海洋物理、化學、生物特征和變化規律,預測海洋資源、環境和氣候的時空變化,評估不同尺度的海洋環境信息并研究其多尺度變化過程及其氣候環境和資源效應,是深化海洋認知的重要內容,更是提高海洋資源開發利用能力、加強海洋生態環境保護、防治海洋災害風險以及保障海洋環境和氣候安全的迫切要求。因此,本研究的出發點在于,通過理解海洋要素相互作用過程的機理,開展多尺度的系統研究,揭示其動態變化規律和預估未來發展趨勢;尤其是基于區域研究的視角,建立“要素-過程-格局-安全”的綜合研究模式。鑒于海洋系統的復雜性,為使科學問題具體化并深化整體認識,本研究聚焦于海洋中尺度過程,從區域海洋的分異與連通性入手,簡要分析海洋中尺度過程及其影響,探討相關研究的關鍵科學問題,并提出海洋環境和氣候安全保障的策略和措施。

本研究的目的不僅在于考慮海洋中尺度過程本身的重要環境特征,而且更注重從環境容量和承載力出發,探討人類與海洋和生態環境之間的層次結構、演變規律及其相互影響和適應的協調性,更強調全局觀和綜合觀的重要性。從對這些作用過程和機制的探討,到對海洋系統中動態的生命特征、生物演替、災害適應和風險防治、環境安全政策制定以及國家海洋治理的研究,進而認知和維護海洋系統平衡,為人類合理開發利用海洋的各類因地制宜的生產實踐提供科學依據,最終實現人與自然協調發展。

1 區域海洋系統的分異與連通性

區域海洋系統是特定地域相互作用的地理、環境、氣候、海洋和全部生物構成的復雜自然系統,系統中的地理、氣候、環境和生物生態等部分有序組合,各組分界面互相聯系,并形成具有一定結構和功能的開放有機整體。整個海洋系統是地球系統的重要組成部分,海洋系統與外界以及海洋系統內部各組分間的相互作用過程可產生能量、物質和信息的變化、運動和交換,從而對人類產生影響。

1.1 分異與連通

海洋是覆蓋超過70%地球表面積的連續海水,其最重要的作用是改善環境、調節氣候以及提供食品和生產資源。海洋系統的各要素通過不同的組織尺度構成多樣性和連接性不斷增加的復雜網絡。一般地,由于網絡拓撲結構、本構關系、相互作用方式和強度分布等多種機制產生的自組織穩定效應,海洋系統處于平衡狀態。海洋在持續為人類提供正常服務功能的同時,由于系統集成、過程綜合以及海-陸-氣相互作用,系統要素具有空間格局的異質性和過程耦合的非線性。尤其在全球環境和氣候變化的驅動下,海洋的連通性引起一系列的環境變化和氣候異常,并成為主要的孕災環境,最終引發災害和安全風險[1]。總之,不同尺度的海洋過程嚴重影響海洋環境和氣候因素的異質性,對生態位組成和功能多樣性產生重要作用[2],并在很大程度上影響海洋氣候演變、生物地球化學循環、生物演替、深部過程、深海資源分布和海洋災害生發。

需要指出的是,海岸帶是海洋系統和陸地系統復合交叉的地理單元,是受海-陸相互作用影響的獨特環境體系和特殊開放系統。海岸帶作為海-陸交錯區和過渡帶非常重要,其生物多樣性異常豐富,但其內部多個系統存在復雜的交互作用,且不同系統之間的物質和能量流動在人類活動介入后變得更為復雜,這種獨特性使海岸帶生態環境脆弱性顯著[3]。此外,由于生態系統具有連通性,可能對其他系統構成威脅,從而影響海岸帶和海洋的生物多樣性[4]。由于海洋空間具有分異與連通性,相關學科的融合以及對范圍和尺度(如跨界)的把握成為當前海岸帶空間規劃研究的重要基礎和關鍵議題[5]。

1.2 尺度及其層次相對性

尺度具有多維性特點,包括功能尺度、空間尺度和時間尺度等[6],其中時空尺度是地球科學研究的基礎性和根本性問題。研究對象的特質均是一定時空匹配尺度上的表征,要素的時空分布(空間格局和時間過程)、過程發生和相互耦合等特性均具有尺度依存性。鑒于此,須在特定尺度上進行選擇、考察和研究,才能把握科學規律。

尺度具有層次相對性,不同形式和過程只有在特定尺度上才能表現出來,如果從較大尺度上分析,較小尺度的要素、行為和過程很可能被較大尺度所湮滅。尺度的大或小在同一層次和不同層次上具有相對性,如宏觀層面的尺度通常大于中(介)觀和微觀層面的尺度。研究的終極目標是對研究對象和要素的全尺度分析,然而在特定的社會發展階段,由于科學認知(意識機制和思維范式)層次、財力、時間和精力等方面的限制,很多研究只能在離散或個別尺度上進行。因此,尺度的選擇、整合和匹配以及向下或向上的承接轉換等是研究過程中不可或缺的關鍵環節[7],其中的重要途徑之一是通過關注特定尺度并以其為中間尺度,進而闡釋該尺度與其他承接尺度的級聯關系。由于不同尺度的空間結構和要素組成不同,研究的重點和特征規律應側重于層次性關聯和轉換機制。系統科學和復雜網絡理論技術、觀測技術以及數據信息技術的發展是研究多尺度變化及其互作互饋關系以及架構全尺度體系的關鍵。為兼顧不同尺度的承接和內在關聯,本研究在層次和相對尺度上主要聚焦海洋中尺度過程。

2 海洋中尺度過程及其影響

海洋系統過程是海洋系統空間狀態分布、流動循環和演變以及災害和安全風險發生的動力根源。影響海洋動態系統的互作過程和海洋內部的互饋過程具有層級性和尺度性,本研究主要關注海洋中尺度過程。

如上所述,中尺度過程主要就相對時間和空間尺度而言。簡便起見,本研究在時間尺度上以銜接尺度為代表的海洋年代際變化(太平洋年代際振蕩)為例,在空間尺度上以旋轉流體力學中地轉效應主導的最小尺度(海洋中尺度渦旋)為例,簡要分析和探討海洋中尺度過程的影響及其研究現狀。

2.1 太平洋年代際振蕩

全球變暖和區域氣候異常正深刻影響著人類社會的發展。全球年代際氣候變率可以改變全球氣候背景和調整氣候年際變率,從而導致局地的氣候變異甚至氣候災害,對周邊地區社會和經濟的中長期發展有嚴重影響。因此,年代際氣候預測對于評估氣候變化風險和制定相應應對策略至關重要。目前相關研究尚處于起步階段,還存在諸多亟待解決的科學和技術問題[8-9]。

首先,年代際尺度變化作為年際和月季氣候變化的重要背景,往往影響著年際和月季時間尺度的氣候特征。而年代際尺度調整作用的過程和機制(如通過環流變異和混合層變異),包括傳播機制和信號通道、海洋系統復雜關聯網絡耦合機制(如年際振蕩和耦合型態)以及對區域海洋系統結構和格局影響的預測預報等均有待系統和深入的研究。其中,年代際尺度變化在全球變暖和改變區域氣候特征中的過程和貢獻以及年代際氣候變化的形成和作用機制是研究重點。目前由于研究資料的局限性,年代際尺度變化的定量研究成果較少。

再者,海洋年代際變化對環境和氣候的預測準確性更具研究意義[10]。海洋參與年代際氣候變化的方式以及海洋動力過程在人類活動影響下的氣候系統輻射平衡中所發揮的作用等課題,涉及大氣環流、海洋狀況和海-氣相互作用的年代際變化以及產生這種年代際變化的主要機制。近20年來,太平洋年代際振蕩(PDO)因其對全球氣候系統的深遠影響而被廣泛研究,其是指在太平洋氣候變率中具有類似厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)空間結構但周期為10～30年的振蕩,當太平洋中部海面溫度異常增暖(冷卻)時,熱帶太平洋中部和東部以及北美沿岸常同時伴有同等幅度的異常冷卻(增暖)?？傮w而言,有2類觀點分別認為太平洋年代際振蕩起源于確定的海-氣耦合過程或大氣的隨機強迫[11-12]。①確定性起源論強調,某個海-氣耦合系統內部的物理過程可以提供1個正反饋機制以增強初始擾動以及1個負反饋機制以促使振蕩位相發生逆轉,海洋環流的動力演變過程決定振蕩的時間尺度;②隨機性起源論強調,大氣活動沒有特定的時間尺度,其時間尺度譜實際上對應于白噪音譜,因此大氣對海洋的強迫是隨機的,而海洋常在低頻譜段有最大的響應振幅,其對應的周期為十數年或數十年。

此外,作為控制局地環境和氣候變化的大氣環流因素,大氣濤動同樣具有重要的研究意義,本研究僅關注大氣濤動與太平洋年代際振蕩的關聯性。研究表明,南方濤動(SO)、北大西洋濤動(NA0)、北太平洋濤動(NPO)和南極濤動(AA0)4個主要大氣濤動具有相對獨立性,其中北太平洋濤動與太平洋年代際振蕩具有較高的相關性[13]。

在全球一致性變暖的背景下,我國海域近海面風速、波高和大浪頻率等的變化趨勢和幅度存在明顯的時頻特征和地區差異,年代際變率特征顯著。同時,氣候系統中超過90%的熱量增加被海洋所吸收,然而中國海數十年來升溫的波動態勢顯著[13-15]。其原因除全球變暖本身引發的反饋機制外,可能主要受氣候系統(包括海-氣耦合系統)內在變率,尤其是區域性氣候年代際變率以及與之相關的關鍵物理過程的影響[16],其中也涉及海洋氣候從淺層到深層調整的結果[17]。值得關注的是,年代際氣候變化對人類生存環境具有重要影響,會引發一系列重大災害事件,造成嚴重的生命財產損失,危及糧食和水資源安全。

綜上所述,研究年代際氣候變化規律和預測年代際重大氣候事件是人類社會可持續發展的迫切需求?？傮w而言,年代際尺度是具有重要承上啟下作用的時間尺度。一方面,其是年際尺度的背景,可對年際尺度的氣候變率現象(如ENSO)和季節或季節內尺度(如熱帶季節內振蕩)產生重要影響[13];另一方面,對于世紀尺度的全球變暖,其又是極為重要的擾動。不同時期和不同季節的全球和區域海洋氣候變化速率存在明顯差異,目前尚未定量和確切地給出各種因子的可能影響,而區域海洋年代際氣候變率的歸因無疑有更多問題值得思考。以上相關科學問題是全球氣候變化區域響應和災害風險評估研究的重要內容,與地區性社會經濟可持續發展、環境保護和人民的安全健康保障密切相關,值得深入探究。

2.2 海洋中尺度渦旋

中尺度渦旋是海洋受地轉控制的局地位渦異常,又稱“海洋風暴”,是影響海洋中物質、能量和熱量等傳播和混合的重要動力過程以及調控海洋碳吸收、初級生產和營養鹽再分布的重要動力因素[18]。海洋中尺度渦旋約占海洋表層動能的90%,且是在能量級串中連接大尺度和小尺度的中間環節,在大洋能量傳輸中扮演重要角色。一般地,根據海洋渦旋在流場和高度異常中的特征,以特征約束方式即可實現渦旋監測。中尺度渦旋的能量輸送及其生成和耗散動力過程是大洋能量循環的重要研究課題。有研究表明,中尺度渦旋以西向傳播為主,其能量通量是東向傳播的6倍;與季風對海洋的輸入能量相比,中尺度渦旋對背景流的貢獻大9倍[19]。在西向傳播的過程中,中尺度渦旋不斷消失和生成,接續將能量從東部傳到西部,使能量主要聚集在西邊界[20-21]。平均流和低頻擾動的正向能量級串是區域渦旋發展和維持的重要因素[22-24]。

中尺度渦旋對于海洋中多尺度運動、水聲物理、海洋生態、大氣環境和氣候變化等都具有十分重要的影響[25-28]。目前受觀測和理論水平的限制,對海洋中尺度渦旋的研究還處于識別、基本特征統計和能譜分析階段[18],中尺度渦旋的耗散過程以及中尺度渦旋與其他海洋結構和過程的相互作用等有待進一步研究。

2.3 尺度選擇與災害風險

理論和實驗證據均表明,復合系統是具有邊界的(也稱為臨界點或閾值),由于氣候變化和人類活動的脅迫,海洋系統面臨到達臨界點或結構和功能發生劇烈轉變的風險。臨界點反映了系統結構穩定性和恢復力的變化結果,當外界壓力達到或超過臨界點時,系統傾向于抵抗結構和功能的改變,因此明確臨界點有利于提高對海洋環境和生態系統的管理水平。

災害風險系統具有自然和社會雙重屬性,可反映環境和氣候達到致災臨界點的可能性和程度。由于環境和氣候要素具有尺度依存性,孕災環境、致災因子以及承災體(承險體)等災害風險系統構成要素在本質上也存在顯著的尺度效應。尺度效應作為災害風險系統的本源特性,繼而體現在災害的風險表征、風險建模、風險量度和風險區劃等方面?？紤]到不同災種具有不同尺度的特性和形式(如極端特性、廣度和密集度),而不同類別的承災體(承險體)具有不同的災害風險有效時間尺度[1],隨著災害風險研究更加趨向應用性,其研究尺度逐步向中小尺度甚至更小尺度發展,因此尺度選擇成為環境和氣候安全風險評估和治理中數據信息變換融合和量化區劃的重要原則。

3 地球系統科學全息觀與區域海洋環境和氣候安全保障

3.1 地球系統科學全息觀和海洋系統多尺度研究的關鍵科學問題

目前地球科學整體進入轉型期,處在向綜合集成方向轉變的重要階段[29],正從學科細分的現象描述提升到跨界思維、探索機理和跨維整合應用的系統科學和系統工程的新高度。地球系統科學是應解決全球性資源和環境問題的需求,在科學技術自身發展和社會需求的共同推動下而發展起來的新興學科,其以地球空間為研究對象,重點揭示各圈層、各要素以及自然和人為現象之間的相互作用關系。問題是理論的起點和理論技術的核心,將全球變化研究和區域安全可持續發展問題有機聯系,即構成地球系統科學體系。在此背景下,本研究致力于從地理、地質、資源、生態、能源、氣候和環境安全等學科交叉的層面,深化海洋系統的認知框架,以期對地球系統科學和“數字地球”的建立與完善提供有益嘗試。

地球系統空間的格局和過程具有開放性和非線性特征,表現為多層次性,且各層次之間相互聯系以及過程之間存在互作互饋關系,同時耦合過程中的響應、反饋和轉換大多屬于隨機性的混沌行為[30]。地球系統空間的異質性和層次性以及各過程的非平穩性(如各向異性和非各態歷經)是系統多尺度性產生的根本,制約各種過程的類型(如急轉)和變化速率(如突變),導致各種變量梯度的產生,極易形成災害源區和災害過程[1]。同時,每個尺度上的主導過程不同,即不同的過程發生在不同的尺度上,各尺度上的過程效應相互作用,對格局的發育起到反饋制約的作用。尤其是不同尺度的多種因素交互作用,使得系統產生涌現特性,進而導致較大差異的環境和氣候效應。此外,當擾動因素脅迫系統時,由于尺度問題的存在,強迫因子疊加在原有格局和過程之上而往復耦合作用,進而激發另一種格局或過程的尺度效應,并形成新的空間異質性態。以上尺度過程通過破壞系統平衡導致災害生發,從而引起安全風險。因此,地球系統的多層次性和尺度復雜性要求必須從系統科學的角度加以確定認知(如構造、界限和極限)。尤其在尺度選擇上,既要聚焦特定和關鍵尺度,更要關注尺度之間的內在關聯和層次演進,本研究稱其為地球系統科學認知的羅盤-齒輪-鏈條效應。

由于社會經濟系統與自然系統之間的聯系愈發緊密,忽略其持續增強的復雜性本身就限制了對其的可知性。鑒于科學認知不斷向系統性和綜合性發展,本研究通過對1947年的全息照相技術進行概念泛化,提出地球系統科學全息觀。全息理念以系統分異為切入點,以系統耦合格局和過程為基礎要點,明確分異結構-格局過程-功能服務的級聯和傳遞轉換關系,合理規劃空間布局,通過分類區劃和統籌協作的方式,構建安全的環境和氣候以及生態位體系,從而為自然資源管理和風險治理提供保障。全息觀以實現人、社會與自然和諧為目標,致力于新的世界觀、認識論、方法論和價值論建構,是將整體論和還原論相結合的哲學世界觀。對于地球系統科學全息觀,本研究不展開論述,僅從復雜系統分異相生的多層次尺度和相融的轉換演化角度給出一般性定義,并從全息觀的基礎要點出發,表述海洋系統的多尺度過程研究,提出相關研究的關鍵科學問題。

全息概念為特定層次維度上,系統本體分異確界(主要指能量精微分異、系統功能建構與鏈接以及組合構造的尺度規模)狀態下的臨界互作關系,脅迫融通維持和消長生息演化機制,系統(體系)擾動激發-響應-互饋形式(行為模式)及其能量信息感知、傳遞和轉化過程,系統內生、循環和轉換等演進方式以及自動智能控制信息(數、理、生、化)表達的綜合。本質上,全息是有關動力學系統層次化分異和同一的科學,是高品質的信息智慧化表達,體現物質和能量的分異演化、信息和控制的科學與哲學統一。

地球系統作為開放的動力系統,具有空間異質性和層次尺度關聯性。經過長期的研究實踐,地學工作者已認識到,僅以地球系統各分量的孤立系統來研究環境和氣候變化,不能充分揭示環境和氣候變化的成因以及預測其未來趨勢[31]。因此,必須綜合考慮各子系統的相互作用,并側重于動力過程研究。

地球系統是由各圈層組成的廣域性復雜系統。地球系統科學全息觀的思維邏輯可表述為:從系統分異及其維度、層次和連通的構造學角度,對系統外強迫以及系統內各圈層間和圈層內子系統的互作互饋過程、穩定性、物質和能量信息疊加、傳遞轉換、自然和人為因素的因應關系(歸因分析)、未來不確定性以及安全風險進行有機的整體的認知;尤其基于系統科學、信息論和控制論,針對系統過程尺度轉化和層次演進,以目標-服務智能鏈網模式進行規模構造性特征觀測,發展仿生重演和仿真動態的再現預演功能體系,從而更好地關注和認識人類賴以生存的環境,有效防范和管控環境和氣候安全風險。地球系統科學全息觀順應系統科學融通發展的新趨勢,是完成地球系統數字信息化新認識的整體觀、系統觀和時空觀,更是實現地球系統完整認知的新技術革命的重要方向和思維體系。地球系統科學全息觀的提出致力于不斷發展學科內涵,與時俱進,為人類共建安全健康的地球和實現可持續發展作出重要貢獻。

海洋是地球環境和氣候系統的重要組成部分,其作為地球系統的子系統,存在于海-陸-氣相互作用的體系內。海洋運動的能量主要由環流尺度輸入,而能量耗散則發生在湍流尺度。為維持海洋的平衡狀態,能量從環流尺度跨越近10個數量級傳遞到湍流尺度(能量串級)。能量向小尺度傳遞的串級過程涉及不同運動形式之間強烈的非線性相互作用,并深刻影響環流、渦旋和湍流運動等所引起的物質和熱量輸運。上述多尺度能量串級和輸運過程是貫穿整個海洋學研究的核心科學問題。此外,海洋中的各大洋間以及大洋與近海間相互影響,存在渦波流等的相互作用過程[32],且各種作用的尺度不一,通過響應和反饋等傳遞轉換過程,最終影響區域環境和氣候。

有關海洋系統的多尺度動力過程研究的關鍵科學問題描述如下。圍繞影響海洋環境、生態、資源和氣候等的關鍵海洋動力過程,構建多技術手段和多維度的全息化觀測網絡以及精準化和精細化能量信息的全息性描述研究體系。發展關鍵海洋動力過程的辨識和提取技術方法體系,歸因闡釋其多尺度發生和疊加的內生、互動和轉化機制,監測、診斷和揭示其演變(變化變率)特征和互作關系的穩定性,分離量化并分析評估其對海洋環境、生態、資源和氣候等演化的作用貢獻和危害性,尤其是風險的生發、傳遞和尺度轉換等生息機制,預測仿真其未來趨勢和致災風險,為我國的海洋環境安全保障、生態文明建設、海洋可持續發展和國家治理提供重要科技支撐(圖1)。

圖1 海洋系統多尺度過程與環境和氣候安全研究體系及關鍵科學問題

3.2 海洋環境和氣候安全保障建議

3.2.1 構建地球系統科學的多層次尺度研究范式和框架體系

該研究涉及尺度定義、尺度類型、尺度域界定以及尺度轉換模式和技術等問題?；谙到y變分機制(如無窮勢)以及維元和基元體系構建,明確系統綜合性和復雜性研究范式(如映射、降階、迭代、遞歸和析構),建立系統不同層次體系的空間確界(如范疇和分類)、空間系統構造、數值化(如空間測度和算子算法)和語義表達。確立相關過程大尺度、中尺度和小尺度的區劃標準,掌握不同層級特征尺度轉換的閾值判據或條件域以及尺度可轉換條件下的轉換層次和跨越尺度域,最終提出層次重演和尺度轉換的范式,構建模型(同構)體系和效能(等效性)測度,促進地球系統學科體系發展。連接系統科學與空間構造學、災變理論、空間信息技術、復雜網絡科學技術和安全科學技術,尤其明確尺度域和條件域,聚焦系統耦合轉化過程和通道機制研究,以正常穩定、平衡平穩和協調持續為目標,深刻認識安全的本質和演化,建立和發展復雜系統的模擬模型,分析和模擬多要素和多層次尺度下的環境和氣候系統動態變化規律,進而在環境容量和生態承載力評估,空間規劃、功能區劃和自然資源管理,生態環境保護和修復,環境和氣候安全格局與風險動態以及國家治理等領域作出積極貢獻。

此外,量化數據的缺乏給跨系統規劃帶來重大挑戰,有限的交互數據反映對海洋系統總體過程和空間格局理解的不足。在動態而復雜的多系統中(如海岸帶系統),單一知識體系顯然已不足以應對復雜的海洋系統發展問題,亟須基于全息理念促進科學、技術和管理的融合,加強跨學科范疇的合作研究。

3.2.2 建設觀測體系和創新科學數據信息技術

觀測體系是認知海洋的根本手段和系統工程,目前海洋觀測體系正處在新技術變革的關鍵時期,海洋觀測技術與現代信息技術、人工智能技術、物聯網技術和智聯網技術加速融合。海洋科學系統綜合化的發展趨勢不僅對觀測的精度、范圍和連續性提出要求,而且從大科學、大數據和大生態的角度對觀測的系統性、關聯性、差異性和空間布局優化組合等提出更高的構造性需求,以逐步實現對重點和關鍵海域的全息化(不限于可視性)表達,從而更好地維護國家海洋權益,提高海洋環境安全保障的智慧化水平,這也是未來海洋觀測和數據信息科技創新的重點。

圍繞“加快建設海洋強國”的戰略需求,以提升海洋多要素信息獲取、分析和預報能力為目標,以綜合化、體系化、智能化和動態化為特征,建立并完善現代化海洋立體觀測系統空間構造,構建數據集成融合、關聯推理、建模同化和反演復原等技術方法體系,以增強海洋認知、海洋預報以及海洋環境和氣候安全保障的信息服務能力。融合創新觀測平臺、衛星遙感以及測繪和通信等技術手段,綜合實現海洋從大尺度到中小尺度、從表面到深層的聯合同步觀測。開展多尺度和多學科的海洋物質和能量循環轉化、深海大洋動力過程及其環境和氣候資源效應等重大觀測科學研究。開展海洋多層次、多維度和多平臺的智能協同、互聯、一體化的立體感知關鍵技術和裝備研發,構建面向全球海洋環境與目標感知的“海洋物聯網”技術體系[33]。以海洋觀測物聯網為基礎,從海洋單因子調查監測逐漸向多因子和多參數實時監測和機理探索的多元化和深層次方向發展,集成元數據技術和機器學習手段,促進數據信息提取技術從統計模型和物理模型階段逐漸進入數據模型階段,最終實現海洋狀態、過程、變化和目標的全息化體系建構。

3.2.3 發展診斷區劃技術和過程分析評估方法體系

發展基于過程變量和通量的識別、提取、分離、聚類、量化和隨機性模糊控制等技術[34],構建精準的全息濾波場或重構場。結合環境容量和生態承載力,確立合理化的閾值判據,發展安全風險評價標準和區劃技術體系,提升安全評估、效能評價和調控的能力。

能量決定系統的起源、演化和最終歸宿,并在復雜系統歸序和維持系統安全運轉的過程中發揮重要作用。由于區域海洋物理過程的復雜性和多尺度性以及不同尺度之間相互作用的高度非線性,多尺度能量學一直以來是分析外部強迫以及海洋中不同尺度相互作用、內部穩定性和能量再分配的強有力的診斷工具。圍繞海洋多尺度過程的復雜耦合轉換機制和綜合風險等級區劃,加強基于規范尺度的物質流、能量流和信息流的分異特征和邊界通量分析,發展有關物質流、能量流和信息流的分析方法和診斷技術體系。

3.2.4 發展全息仿生仿真技術方法體系

建立大數據分析和海洋智能模擬中心,基于海洋大數據挖掘和仿生仿真技術[35],提供人口、資源、環境和災害綜合應用和安全信息服務。構建基于尺度適應的動態參數化方案,建立和集成以物理海洋和生態學為主,拓展到多學科的不同層次仿生仿真原型/模型參數和接口模塊,基于大數據、物聯網、智能化和自動化工程技術,逐步發展全息仿生仿真技術方法體系,搭建空間分辨率和智能化程度高的模擬/回溯/預測預報模式和多維表達的仿生仿真系統。

4 結語

在地球科學認知向系統性和綜合性發展的大背景下,本研究基于海洋系統環境、氣候、生態和資源等的多尺度特征,圍繞加快建設海洋強國對科學、系統和深入認知海洋的必然要求,聚焦海洋中尺度過程,簡要分析和探討海洋中尺度過程及其影響;提出地球系統科學全息觀,試圖從提高科學性、學術性、實踐性、社會性和智慧化的角度,不斷豐富對復雜系統分異融合(普遍聯系方式)在范式模型(本研究提出確界-臨界-跨界-過界的四界分異演化模型,如圖1所示)、測度算法、語言語義、仿生仿真以及風險適應與安全保障效率等方面的全息認知;建議構建和發展有關海洋動力過程的多層次尺度演繹規律和全息分析技術方法研究體系,進一步給出區域海洋系統多尺度過程研究的關鍵科學問題以及我國海洋環境和氣候安全保障建議,以期為我國海洋可持續發展、生態文明建設和美麗中國建設等國家治理相關領域提供必要的科學參考和科技支撐。